Interaction of prechilling, temperature, osmotic stress, and light in Picea abies seed germination

Summary

Tislauskolonnin varopurkauksen laskeminen dynaamisen simuloinnin avulla

Työn tavoitteena oli tutkia tislauskolonnin dynamiikkaa ja dynaamista mallintamista simulointien avulla. Dynaamisen simulointimallin avulla selvitettiin pentaanin erotuskolonnin toimintaa poikkeus- ja häiriötilanteissa. Lisäksi pyrittiin arvioimaan työssä käytettyjen simulointiohjelmistojen soveltuvuutta tislauksen dynaamiseen simulointiin. Työn kirjallisuusosassa käsiteltiin tislauskolonnindynamiikan mallintamista matemaattisten mallien avulla sekä tislauskolonnimallin rakentamista simulointiohjelmistoon. Kirjallisuusosassa esiteltiin myös tislauskolonnin häiriötilanteita ja niiden aiheuttamia varopurkaustapauksia. Tämän lisäksi kirjallisuusosassa käytiin läpi tislauskolonnin varoventtiilien mitoittamisen perusteita. Työn soveltavassa osassa muodostettiin tislauskolonnille dynaaminen simulointimalli Aspen HYSYS Dynamics ja PROSimulator-simulointiohjelmistolla. Mallien avulla tarkasteltiin erilaisten häiriöiden ja poikkeustilanteiden vaikutusta kolonnin käyttäytymiseen ja varopurkaus-tapauksiin. Työssä arvioitiin myös ohjelmistojen soveltuvuutta tislauksen dynaamiseen simulointiin. Työssä saatujen tulosten perusteella voidaan todeta, että dynaamisen simuloinnin avulla saadaan hyödyllistä tietoa tislauskolonnin toiminnasta häiriö- ja poikkeustilanteissa. Dynaamisen simuloinnin onnistuminen ja luotettavien tulosten saaminen edellyttää kuitenkin tarkasteltavan prosessin tuntemista ja ohjelmiston käytön hallintaa. Työssä käytetyn Aspen HYSYS Dynamics simulointiohjelmiston käytettävyydessä havaittiin puutteita ja ohjelmisto vaatii vielä kehitystyötä. Työssä käytetty PROSimulator-simulointiohjelmisto soveltui pienistä puutteista huolimatta hyvin tislauskolonnin häiriötilanteiden tutkimiseen.

Väkevän urealiuoksen puhdistaminen kalvotekniikalla

Kirjallisuusosassa käsiteltiin nanosuodatus-, käänteisosmoosi- ja elektrodialyysitekniikoita liuosten puhdistuksessa. Nanosuodatuksella ja käänteisosmoosilla voidaan liuottimesta erottaa pienen moolimassan omaavia liuenneita aineita ohuen kalvon avulla. Nanosuodatuksessa ja käänteisosmoosissa ajavana voimana on paine, jonka tulee ylittää liuoksen osmoottinen paine. Elektrodialyysissä ajavana voimana toimii sähköpotentiaaliero. Tekniikka käyttää hyväkseen ionien tai molekyylien kykyä johtaa sähköä. Elektrodialyysillä voidaan liuoksesta erottaa toisistaan varauksettomat ja varaukselliset komponentit sähköä johtavan membraanin avulla. Kokeellisessa osassa väkevää ureavesiliuosta suodatettiin nanosuodatus- ja käänteisosmoosikalvoilla tutkien paineen, lämpötilan ja konsentroitumisen vaikutusta vuohonja retentioon. Tarkoituksena oli saada urea tuotteena permeaattiin ja epäpuhtaudet erottumaan retentaattiin. Permeaattien epäpuhtauksien pitoisuuksia verrattiin tuotteen spesifikaation raja-arvoihin. Suodatukset tehtiin Lappeenrannan teknillisen yliopiston tiloissa DSS Labstak M20 suotimella. Työssä käytettiin NF1-, NF2-, NF270-, NF-, NF90-, Desal-5 DK-, OPMN-P 70- ja TFC ULP-kalvoja. Nanosuodatuskalvot NF2- ja NF270 antoivat parhaan vuon ja erotuskyvyn suhteen puhdistettaessa urealiuosta. Paineen noustessa kalvojen retentiot paranivat. Lämpötilan noustessa vuo parani, joskin täytyy huomioida urean kiihtyvä hajoaminen lähestyttäessä 40 °C astetta. Kalvojen kestävyyttä ureasuodatuksissa ei voitu näiden kokeiden avulla varmentaa.

Conflict-based Method for Conceptual Process Synthesis

The changing business environment demands that chemical industrial processes be designed such that they enable the attainment of multi-objective requirements and the enhancement of innovativedesign activities. The requirements and key issues for conceptual process synthesis have changed and are no longer those of conventional process design; there is an increased emphasis on innovative research to develop new concepts, novel techniques and processes. A central issue, how to enhance the creativity of the design process, requires further research into methodologies. The thesis presentsa conflict-based methodology for conceptual process synthesis. The motivation of the work is to support decision-making in design and synthesis and to enhance the creativity of design activities. It deals with the multi-objective requirements and combinatorially complex nature of process synthesis. The work is carriedout based on a new concept and design paradigm adapted from Theory of InventiveProblem Solving methodology (TRIZ). TRIZ is claimed to be a `systematic creativity' framework thanks to its knowledge based and evolutionary-directed nature. The conflict concept, when applied to process synthesis, throws new lights on design problems and activities. The conflict model is proposed as a way of describing design problems and handling design information. The design tasks are represented as groups of conflicts and conflict table is built as the design tool. The general design paradigm is formulated to handle conflicts in both the early and detailed design stages. The methodology developed reflects the conflict nature of process design and synthesis. The method is implemented and verified through case studies of distillation system design, reactor/separator network design and waste minimization. Handling the various levels of conflicts evolve possible design alternatives in a systematic procedure which consists of establishing an efficient and compact solution space for the detailed design stage. The approach also provides the information to bridge the gap between the application of qualitative knowledge in the early stage and quantitative techniques in the detailed design stage. Enhancement of creativity is realized through the better understanding of the design problems gained from the conflict concept and in the improvement in engineering design practice via the systematic nature of the approach.

Vesi-metanolitislauskolonnin ikääntyminen ja siihen vaikuttavat tekijät

Tässä työssä tutkittiin Fortum Oyj:n MTBE -yksikön vesi metanolitislauskolonnin käyttö- ja tarkastushistoriaa sekä yleisestä syöpymisestä aiheutunutta seinämän ohenemaa. Oheneminen oli kiihtynyt viimeisten käyttövuosien aikana. Kolonni poistettiin käytöstä vuonna 2002. Kirjallisuusosassa käsitellään MTBE -prosessia, metallien korroosiota eri olosuhteissa sekä korroosiotutkimusmenetelmiä. Eri korroosiotutkimusmenetelmistä käsitellään sähkökemiallinen kohina -menetelmää, vastuslankamittausta sekä upotuskokeita. Kokeellisessa osassa käsitellään tuloksia käyttö- ja tarkastushistoriaselvityksistä ja korroosiokokeista, jotka tehtiin kirjallisuusosassa esitettyjen menetelmien mukaisesti. Koekappaleet olivat hiiliterästä, joka oli vastaavaa materiaalia kuin metanolin tislauskolonni. Korroosiokokeiden tuloksista havaittiin, että hiiliteräs syöpyy nopeammin vesimetanoliliuoksessa, jossa on 60 - 80 metanolia. Syöpymisnopeus kasvoi liuoksen pH:n laskiessa ja oli suurinta kun pH oli alle 4,0.

Eetteröintiprosessien simulointivalmiuksien kehittäminen

Diplomityön tarkoituksena oli tutkia ETBE-prosessien simulointimallin kehittämistä. Simulointia varten valittiin eetteröinnin syöttövirroiksi etanoli ja tyypillinen FCC-kolonnin hiilivetysyöttö. Kirjallisuusosassa paneuduttiin tutkimaan syitä ETBE:n käytölle bensiinissä, valmistukseen tarvittavien raaka-aineiden lähteitä ja mahdollisia korvaavia raaka-aineita sekä mietittiin etanolissa olevien epäpuhtauksien vaikutusta prosessin tuotespesifikaatioihin. Kirjallisuusosassa tarkasteltiin lisäksi eri valmistajien markkinoimia eetteröintiteknologioita. Eetteröintiteknlogiat jaettiin perinteiseen tislaukseen pohjautuviin prosesseihin, reaktiiviseen tislaukseen pohjautuviin prosesseihin sekä Neste Engineering:in markkinoimaan NExETHERS-teknologiaan. Työn kokeellisessa osassa tutkittiin sekä etanolin epäpuhtauksien kulkeutumista prosessissa että kokeellisesti saadusta höyry-nestetasapainotiedosta määritettyjen Wilsonin yhtälön binääri-interaktioparametrien vaikutusta eetteröintiprosessin simulointituloksiin. Lopuksi simulointiin prosessia, jossa oli prosessin kannalta kriittiseksi havaitut etanolin epäpuhtaudet sekä hyviksi todetut binääri-interaktioparametrit etanolin ja FCC-syöttövirran C4-hiilivetyjen välillä. Uusilla binääriparametreilla saatuja simulointituloksia vertailtiin aikaisemmin samasta mallista vanhoilla binääriparametreilla saatuihin tuloksiin. Lopuksi tehtiin yhteenveto työn tuloksista ja annettiin ehdotukset jatkotutkimuksia varten.

Design and manufacture of a microdistillation column

Aim of this thesis was to design and manufacture a microdistillation column. The literature review part of this thesis covers stainless steels, material processing and basics about engineering design and distillation. The main focus, however, is on the experimental part. Experimental part is divided into five distinct sections: First part is where the device is introduced and separated into three parts. Secondly the device is designed part by part. It consists mostly of detail problem solving, since the first drawings had already been drawn and the critical dimensions decided. Third part is the manufacture, which was not fully completed since the final assembly was left out of this thesis. Fourth part is the test welding for the device, and its analysis. Finally some ideas for further studies are presented. The main goal of this thesis was accomplished. The device only lacks some final assembly but otherwise it is complete. One thing that became clear during the process was how difficult it is to produce small and precise steel parts with conventional manufacturing methods. Internal stresses within steel plates and thermal distortions can easily ruin small steel structures. Designing appropriate welding jigs is an important task for even simple devices. Laser material processing is a promising tool for this kind of steel processing because of the flexibility, good cutting quality and also precise and low heat input when welding. Next step in this project is the final assembly and the actual distillation tests. The tests will be carried out at Helsinki University of Technology.

Recovery of carboxylic acids from aqueous solutions

Carboxylic acids are commonly used organic acids and have many applications in industries producing food and pharmaceutical products, surfactants and detergents. Especially formic, acetic, propionic and butyric acid are important organic chemicals. These compounds can be found in many side streams and plant effluents. Recovery costs of carboxylic acids are high when they are removed from dilute solution. Conventional processes for the recovery of carboxylic acids from aqueous solutions are classical distillation or extractive distillation, azeotropic distillation or liquid-liquid extraction. The literature part of this Master’s of Science Thesis comprises possible extractants in liquid-liquid extraction of carboxylic acids from aqueous solutions and methods for their regeneration form the extract. The experimental part of this Thesis investigates liquid-liquid extraction of carboxylic acids from aqueous solutions. The aim of this work was to find a suitable extractant for liquid-liquid extraction and suitable process conditions to recover carboxylic acids from aqueous solutions. Also, back extraction of carboxylic acids and their thermal decomposition in relation to distillation of were. Experiments showed that there is more than one possible extractant for liquid-liquid extraction of carboxylic acids. Results also showed that it is possible to separate carboxylic acids and regenerate all the used extractants by vacuum distillation at suitable temperature.

Metanolin tuotanto biomassasta

Tämä työ käsittelee eri tapoja, joilla biomassasta voidaan valmistaa metanolia. Työssä käydään läpi eri valmistusreitit sekä tarkastellaan biomassaa raaka-aineena. Työhön on myös koottu joidenkin maailmalla tehtyjen tutkimusten aine- ja energiataseita. Tutkimusten pohjalta mietitään onko metanolin tuotanto liikennepolttoaineeksi tällä hetkellä taloudellisesti tai energiatehokkuudeltaan järkevää. Metanolia voidaan valmistaa biomassasta pääsääntöisesti viidellä eri tavalla. Ensimmäinen tapa on kaasuttaa biomassaa, jolloin tuotetaan raaka-kaasua. Raaka-kaasusta jalostetaan synteesikaasua, josta voidaan metanolisynteesillä valmistaa metanolia. Toinen tapa metanolin valmistamiseksi on liittää tuotanto sellunkeiton yhteyteen. Tällöin raaka-aineena olisi selluprosessissa syntyvä mustalipeä, josta metanoli voidaan erottaa. Kolmas mahdollinen valmistusprosessi on biomassan mädätys. Mädätyksessä syntyy biokaasua, josta jalostetaan synteesikaasuaja siitä edelleen metanolia. Neljäs keino metanolin valmistamiseksi biomassasta on pyrolyysi. Puun pyrolyysissä puu kuumennetaan nopeasti hapettomissa tai rajallisen hapensaannin olosuhteissa. Prosessissa syntyvästä pyrolyysiöljystä voidaan erottaa metanolia tislaamalla. Viides mahdollinen reitti metanolin valmistukselle on Fischer¬–Tropsch-synteesi. Biomassasta saatu synteesikaasu johdetaan FT-synteesiin, jossa katalyyttisesti saadaan hiilivetyjen ohella tuotettua metanolia. Biopolttoaineiden kuten metanolin valmistusprosesseja tutkitaan ja kehitetään jatkuvasti, sillä uusiutumattomat energianlähteet eivät riitä loputtomasti ja niiden aiheuttamia hiilidioksidipäästöjä halutaan vähentää. Tällä hetkellä tuotantoteknologiat eivät ole vielä tarpeeksi kehittyneet, jotta tuotanto saataisiin vastaamaan kulutusta. Metanolia ei kuitenkaan vielä voida käyttää sellaisenaan liikennepolttoaineena, joten metanolin markkinat ainakin vielä ovat sillä saralla varsin kapeat.

Tislauskolonnin pohjaosan likaantumisen vähentäminen sisärakenteita muuttamalla

Tässä työssä tutkittiin pohjaöljy-yksikössä sijaitsevan tislauskolonnin pohjaosan likaantumista ja likaantumisen vähentämistä kolonnin sisärakenteita muuttamalla. Tislauskolonnin likaantuminen aiheutuu raskaista molekyyleistä, asfalteeneistä, joita pohjaöljy sisältää. Pohjaöljyä krakattaessa kevyemmiksi tisleiksi asfalteenien liukoisuus pienenee. Asfalteenimolekyylit alkavat lopulta yhdistyä, minkä seurauksena muodostuu asfalteenejä sisältävä hiilimäinen mesofaasi. Radikaalireaktioiden kautta mesofaasista muodostuu koksia. Mesofaasi tarttuu tiukasti tislauskolonnin sisärakenteiden pinnoille aiheuttaen koksaantumista. Koksaantumisen seurauksena strippausvälipohjina käytettävien suihkupohjien tislausteho huononee. Koksaantumisen johdosta suihkupohjien ja kolonnin pohjaosan tukkeentumisen riski kasvaa. Suihkupohjien likaantumista pyritään vähentämään muuttamalla suihkupohjat sileiksi välipohjiksi ilman patolevyjä ja reikiä. Tällä tavoin saadaan neste virtaamaan vapaasti välipohjalta toiselle, mikä vähentää mesofaasin ja koksin muodostumista. Likaantumista voitaisiin myös vähentää tuomalla jäähdytyskiertopalautus välipohjille, minkä avulla neste saadaan jäähtymään nopeammin alle lämpökrakkautumislämpötilan, mikä vähentää koksaantumista. Kolonnin pohjaosassa sijaitsevan pohjaseulan likaantumista voitaisiin vähentää harventamalla pohjaseulan tankoja, mikä vähentää koksin tarttumapinta-alaa. Likaantumisen online-seurantaa saadaan parannettua lisäämällä pintalämpötilamittauksia järjestelmällisesti samoille korkeuksille kolonnin vastakkaisille puolille.

Recovery of carboxylic acids from aqueous streams by extraction and back extraction

Separation of carboxylic acids from aqueous streams is an important part of their manufacturing process. The aqueous solutions are usually dilute containing less than 10 % acids. Separation by distillation is difficult as the boiling points of acids are only marginally higher than that of water. Because of this distillation is not only difficult but also expensive due to the evaporation of large amounts of water. Carboxylic acids have traditionally been precipitated as calcium salts. The yields of these processes are usually relatively low and the chemical costs high. Especially the decomposition of calcium salts with sulfuric acid produces large amounts of calcium sulfate sludge. Solvent extraction has been studied as an alternative method for recovery of carboxylic acids. Solvent extraction is based on mixing of two immiscible liquids and the transfer of the wanted components form one liquid to another due to equilibrium difference. In the case of carboxylic acids, the acids are transferred from aqueous phase to organic solvent due to physical and chemical interactions. The acids and the extractant form complexes which are soluble in the organic phase. The extraction efficiency is affected by many factors, for instance initial acid concentration, type and concentration of the extractant, pH, temperature and extraction time. In this paper, the effects of initial acid concentration, type of extractant and temperature on extraction efficiency were studied. As carboxylic acids are usually the products of the processes, they are wanted to be recovered. Hence the acids have to be removed from the organic phase after the extraction. The removal of acids from the organic phase also regenerates the extractant which can be then recycled in the process. The regeneration of the extractant was studied by back-extracting i.e. stripping the acids form the organic solution into diluent sodium hydroxide solution. In the solvent regeneration, the regenerability of different extractants and the effect of initial acid concentration and temperature were studied.

Thermodynamic properties of dilute HBr(aq) and HI(aq)

The theory of electrolyte solutions was described by explaining Debye–Hückel theory and deriving the Debye–Hückel equation for the mean activity coefficient. Simple two-parameter Hückel equation was used for the calculation of the activity coefficients of aqueous hydrobromic and hydriodic acids up to 0.5 mol/kg at temperatures from (0 to 60) °C and from (0 to 50) °C, respectively. The parameters were observed to be independent of the temperature. The Hückel equation for the osmotic coefficients of water in the studied solutions was compared to that of Pitzer model by predicting the vapor pressures up to 1 mol/kg at 25 °C. The experimental vapor pressures over the reference electrolyte solutions were calculated with the Pitzer equation for the osmotic coefficients for isopiestic data in this comparison. The simple Hückel model was found to be equally good as the Pitzer model for both hydrobromic and hydriodic acids up to 0.5 mol/kg at 25 °C but applies also to other temperatures studied.

Identification of research trends in the field of separation processes. Application of epidemiological model, citation analysis, text mining, and technical analysis of the financial markets

Choice of industrial development options and the relevant allocation of the research funds become more and more difficult because of the increasing R&D costs and pressure for shorter development period. Forecast of the research progress is based on the analysis of the publications activity in the field of interest as well as on the dynamics of its change. Moreover, allocation of funds is hindered by exponential growth in the number of publications and patents. Thematic clusters become more and more difficult to identify, and their evolution hard to follow. The existing approaches of research field structuring and identification of its development are very limited. They do not identify the thematic clusters with adequate precision while the identified trends are often ambiguous. Therefore, there is a clear need to develop methods and tools, which are able to identify developing fields of research. The main objective of this Thesis is to develop tools and methods helping in the identification of the promising research topics in the field of separation processes. Two structuring methods as well as three approaches for identification of the development trends have been proposed. The proposed methods have been applied to the analysis of the research on distillation and filtration. The results show that the developed methods are universal and could be used to study of the various fields of research. The identified thematic clusters and the forecasted trends of their development have been confirmed in almost all tested cases. It proves the universality of the proposed methods. The results allow for identification of the fast-growing scientific fields as well as the topics characterized by stagnant or diminishing research activity.

Ilmatislaamon vesijäähdytysjärjestelmän lämmönvaihtajien tehokkuuden vaikutus tislausprosessin hyötysuhteeseen

Sähköenergiankulutuksella on suuri merkitys kryogeenisessa ilman tislausprosessissa. Sähköenergiankulutus määrittää pääosan tuotetun kaasun tuotantokustannuksista, koska raaka-aine eli ympäröivä ilmakehä ei aiheuta taloudellisia kuluja. Vesijäähdytysjärjestelmä vaikuttaa tislausprosessin tehokkuuteen merkittävästi. Jäähdytysveden lämpötilalla on oleellinen merkitys tuotettujen kaasujen massavirtoihin ja kulutettavaan energiaan. Lisäksi jäähdytysveden lämpötila vaikuttaa laitoksen käytettävyyteen. Jäähdytysjärjestelmän tehokkuuteen vaikuttavat useat eri tekijät. Lähtökohtana lämmönsiirtoon vaikuttavista tekijöistä on saatavan jäähdytysveden lämpötila. Lämmönsiirtimien mitoituksella, likaantumisella ja virtausnopeuksilla on myös oleellinen merkitys ilman tislausprosessin lämmönsiirrossa. Tässä raportissa on kuvattu kryogeeninen ilman tislausprosessi ja syvennytty prosessin vesijäähdytysjärjestelmään. Raportissa lämmönsiirto pohjautuu ainoastaan laitoksen vesilämmönsiirtimiin ulkoisessa ja sisäisessä kierrossa. Raportti sisältää prosessikuvauksen, tutkimustietoa jäähdytysjärjestelmästä ja lämmönsiirrosta, koejärjestelyjen tulokset ja päätelmiä laitoksen jäähdytysjärjestelmän ja tuotannon yhteyksistä. Raportti perustuu kattavaan lähdemateriaaliin.

Comparison of sustainability of technologies for water desalination

The aim of this work is to perform an in-depth overview on the sustainability of several major commercialized technologies for water desalination and to identify the challenges and propose suggestions for the development of water desalination technologies. The overview of those technologies mainly focuses on the sustainability from the viewpoint of total capital investment, total product cost, energy consumption and global warming index. Additionally, a systematic sustainability assessment methodology has been introduced to validate the assessment process. Conclusions are:1) Reverse osmosis desalination (RO) plants are better than multi-stage flash distillation (MSF) desalination plants and multiple-effect distillation (MED) desalination plants from the viewpoint of energy consumption, global warming index and total production cost; 2)Though energy intensive, MSF plants and MED plants secure their advantages over RO plants by lower total capital investment, wider applicability and purer water desalted and they are still likely to flourish in energy-rich area;3) Water production stage and wastewater disposal stage are the two stages during which most pollutant gases are emitted. The water production stage alone contributes approximately 80~90% of the total pollutant gases emission during its life cycle; 4)The total capital cost per m3 desalted water decreases remarkably with the increasing of plant capacity. The differences between the capital cost per m3 desalted water of RO and other desalination plants will decrease as the capacity increases; 5) It is found that utilities costs serve as the major part of the total product cost, and they account for 91.16%, 85.55% and 71.26% of the total product cost for MSF, MED and RO plants, respectively; 6) The absolute superiority of given technology depends on the actual social-economic situation (energy prices, social policies, technology advancements).